源码系列：基于FPGA的VGA驱动设计（附源工程）
源码系列：基于FPGA的VGA驱动设计（附源工程）
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今天给大侠带来基于FPGA的VGA驱动设计，附源码，获取源码，请在“FPGA技术江湖”公众号内回复“VGA驱动设计源码”，可获取源码文件。话不多说，上货。
设计背景
VGA (Video Graphics Array) 即视频图形阵列，是IBM于1987年随PS/2机(PersonalSystem 2)一起推出的使用模拟信号的一种视频传输标准。这个标准对于现今的个人电脑市场已经十分过时。但在当时具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域取得了广泛的应用，是众多制造商所共同支持的一个低标准。
设计原理
VGA的实体图与接口示意图，如下图所示，它有15个针孔：
在本次设计使用的开发板中，VGA的电路原理图如下图所示：
通过原理图，我们不难发现，VGA需要我们控制的接口只有5个：
显示器的扫描规律是什么？本设计采用逐行扫描，逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点扫描，每扫描完一行，电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT对电子束进行消隐，每行结束时，用行同步信号进行行同步；当扫描完所有的行，形成一帧，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐，开始下一帧。通过这种扫描规律，很容易看出，在设计两个有效范围计数器时，场同步信号计数器是以行同步信号计数器为周期的。
VGA的显示标准如下表所示：
对于普通的VGA显示器都要严格遵循“VGA工业标准”，否则可能会损害VGA显示器，因此我们在设计时VGA控制器时，都需要参考显示器的显示标准，下面是VGA的行扫描时序与场扫描时序：
行扫描时序：
场扫描时序：
根据上述显示器的扫描参数以及扫描时序，例如800*600@60的显示模式，60指得是显示器图像的刷新频率，时钟40MHz指得是一个像素输出的频率。800*600为VGA的分辨率，指有效显示区域为时序中的c段只有800*600，也就是行计数在[216,1016]，列计数在[27,627]，在这个范围内，给RGB色值才会有效。
在VGA 工业标准显示模式要求：行同步、场同步都为负极性，即同步脉冲要求是负脉冲。行同步信号上电拉高，在行同步计数为0时拉低a个时钟周期，即128，之后拉高，在行同步计数到1055时，行同步计数器清零，场同步计数器加1。在行扫描时序中，扫描计数时，周期就是一个像素点的时间。
场同步信号上电拉高，在场同步计数为0时拉低场同步a个时钟周期，即4，之后拉高，在场同步计数到627时，场同步计数器清零。
在VGA控制器中，还需要控制三个接口，即三种基色（R、G、B），它们共专用8位，分别是Red为3位，Green为3位，Blue为3位，所以可以显示256种颜色，RGB数据的格式如下表所示：
设计框架
本设计选择的VGA显示标准为800*600@60，实现点亮整个屏幕，并显示为全红。通过分析设计的功能，可以得到如下的顶层架构：
顶层模块端口列表如下：
vga_pll模块是为了满足分辨率800*600@60的时钟为40MHz，而ZX_1开发板的系统时钟为50MHz，通过锁相环，将50MHz转化为40MHz。vga_control模块是为了设定行场同步信号，并标定出有效显示区域，并输出控制颜色的po_rgb信号。为了便于移植，根据800*600@60分辨率下的参数，对其进行参数化定义。
设计代码
顶层模块vga_display_pure代码：
module vga_display_pure (pi_clk, pi_rst_n, po_hs, po_vs, po_rgb);
input pi_clk, pi_rst_n; //系统时钟复位
output po_vs; //VGA场同步信号
output po_hs; //VGA行同步信号
output [7:0] po_rgb; //VGA场红绿蓝三基色
//----------------VGA时序-----------------------------------
// 显示模式 时钟
// 800*600@60 40MHz
//行/场 同步(a) 消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(e)
//hs 128 88 800 40 1056
//vs 4 23 600 1 628
wire vga_clk;
vga_pll vga_pll_dut(
.areset(~pi_rst_n),
.inclk0(pi_clk),
.c0(vga_clk)
);
vga_control vga_control_dut(
.pi_clk(vga_clk),
.pi_rst_n(pi_rst_n),
.po_hs(po_hs),
.po_vs(po_vs),
.po_rgb(po_rgb)
);
endmoduleVGA控制器vga_control 模块代码：
module vga_control (pi_clk, pi_rst_n, po_hs, po_vs, po_rgb);
input pi_clk, pi_rst_n; //系统时钟复位
output reg po_vs; //VGA场同步信号
output reg po_hs; //VGA行同步信号
output [7:0] po_rgb; //VGA场红绿蓝三基色
//----------------VGA时序-----------------------------------
// 显示模式 时钟
// 800*600@60 40MHz
//行/场 同步(a) 消隐后沿(b) 有效显示(c) 消隐前沿(d) 扫描时间(e)
//hs 128 88 800 40 1056
//vs 4 23 600 1 628
// 行(Horizontal)扫描 Parameter （像素）
parameter H_A = 128;
parameter H_B = 80;
parameter H_C = 800;
parameter H_D = 40;
parameter H_E = 1056;
// 场(Vertical)扫描 Parameter （行数）
parameter V_A = 4;
parameter V_B = 23;
parameter V_C = 600;
parameter V_D = 1;
parameter V_E = 628;
//行扫描计数器，
reg [10:0] hcnt;
always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
begin
if (!pi_rst_n)
hcnt <= 11'd0;
else
begin
if (hcnt == (H_E - 1'b1)) //扫描完一行像素
hcnt <= 11'd0;
else
hcnt <= hcnt + 1'b1;
end
end
//场扫描计数器
reg [10:0] vcnt;
always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
begin
if (!pi_rst_n)
vcnt <= 11'd0;
else if (vcnt == (V_E - 1'b1))
vcnt <= 11'd0;
else if (hcnt == (H_E - 1'b1))
vcnt <= vcnt + 1;
end
//行同步输出
always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
begin
if (!pi_rst_n)
po_hs <= 1'b1;
else if (hcnt < H_A)
po_hs <= 1'b0;
else
po_hs <= 1'b1;
end
//assign po_hs = (hcnt <= H_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
//场同步输出
always @ (posedge pi_clk or negedge pi_rst_n)
begin
if (!pi_rst_n)
po_vs <= 1'b1;
else if (vcnt < V_A)
po_vs <= 1'b0;
else
po_vs <= 1'b1;
end
//assign po_vs = (vcnt <= V_A - 1'b1) ? 1'b0 : 1'b1;
wire rgb_en;
assign rgb_en = (hcnt >= H_A + H_B && hcnt < H_A + H_B + H_C) &&
(vcnt >= V_A + V_B && vcnt < V_A + V_B + V_C) ? 1'b1 : 1'b0;
assign po_rgb = rgb_en ? 8'b111_000_00 : 8'b0000_0000;
endmodule 通过编译后生成的RTL视图如下：
仿真测试
为了验证本设计的逻辑正确性，我们先对其进行了仿真，在仿真时，为了减少仿真的时间，先将行、场扫描的对应参数，进行了缩放，这样不仅节约了仿真时间，同时由于扫描数据量变少，更加便于分析观察。其仿真代码所示：
`timescale 1ns/1ps //仿真时间精度时间单位
module vga_display_pure_tb;
reg pi_clk, pi_rst_n; //系统时钟复位
wire po_vs; //VGA场同步信号
wire po_hs; //VGA行同步信号
wire [7:0] po_rgb; //VGA场红绿蓝三基色
//初始化数据，并附相应初值
initial begin
pi_clk = 0;
pi_rst_n = 0;
#200.1 pi_rst_n = 1;
end
vga_display_pure vga_display_pure_inst (
.pi_clk(pi_clk),
.pi_rst_n(pi_rst_n),
.po_hs(po_hs),
.po_vs(po_vs),
.po_rgb(po_rgb)
);
always #10 pi_clk = ~pi_clk; //50MHz时钟描述
endmodule仿真图:
rgb_en信号，只有当po_vs和po_hs同时为高电平时，才有效，并且有po_rgb Red基色信号输出，时序仿真细节图如下所示：
通过观察和分析时序图，可以发现与设计吻合，接下来则可进行管脚分配，并下板验证，验证结果如下：
END
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